ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 112.3: ТЭС. ГЭС. Пути экономии электрической энергии

План решения:

• Определить основную проблему при передаче электроэнергии на большие расстояния — потери энергии в линиях электропередачи (ЛЭП).
• Вспомнить формулу для расчета мощности потерь и выявить зависимость от силы тока.
• Объяснить принцип повышения напряжения для снижения потерь и роль трансформаторов в этом процессе.

Вычисление и физическое обоснование:

При передаче электрической энергии по проводам часть мощности теряется в виде тепла из-за сопротивления линий. Мощность потерь определяется законом Джоуля–Ленца: P_пот =I²R, где I — сила тока в линии, а R — сопротивление проводов.

Передаваемая мощность станции равна произведению напряжения на силу тока: P=UI. Отсюда следует, что сила тока обратно пропорциональна напряжению при постоянной передаваемой мощности: I=P/U. Подставив это выражение в формулу потерь, получаем: P_пот =(P/U)²R=P²R/U². Из этой зависимости видно, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения. Следовательно, чтобы уменьшить потери в десятки или сотни раз, необходимо значительно повысить напряжение U.

На практике это реализуется с помощью повышающих трансформаторов непосредственно на электростанциях. Электроэнергия генерируется при относительно низком напряжении (например, 10–20 кВ), затем повышается до значений 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ и выше для передачи по магистральным ЛЭП. У потребителя напряжение понижается до безопасных значений (380/220 В) с помощью понижающих трансформаторов.

Проверка и вывод:

Данный метод является единственным экономически целесообразным способом передачи энергии на расстояние в сотни и тысячи километров. Без повышения напряжения потери были бы настолько велики, что передача стала бы невозможной. Таким образом, ключевым элементом системы энергоснабжения являются высоковольтные линии электропередачи и трансформаторное оборудование.